CN114653216B - 耐高温高过滤复合纤维膜及其制备方法 - Google Patents

耐高温高过滤复合纤维膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耐高温高过滤复合纤维膜及其制备方法。该方法包括：S1.分别配制聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液，且所述聚酰胺酸纺丝液中添加有电气石；S2.将所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液同步或交替离心纺丝沉积，得到复合纤维膜；S3.将所述复合纤维膜进行酰亚胺化处理，得到耐高温高过滤复合纤维膜。本发明通过离心纺丝一步成型得到耐高温高过滤复合纤维膜，实现摩擦自充电，同时在聚酰亚胺中添加少量电气石粉，提高静电过滤性能，降低过滤阻力，可通过电荷的静电力作用捕集病毒、尘粒，且微纳纤维的无规则排列使纤维膜的过滤作用更好。该工艺简单，便于大规模生产。

Description

耐高温高过滤复合纤维膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及过滤材料制备技术领域，尤其涉及一种耐高温高过滤复合纤维膜及其制备方法。
背景技术
为了解决日益严重的空气污染问题，许多聚合物或混合物被制备成纤维膜，对空气污染物中的多种成分进行过滤。通过吸附、过滤、催化等方式将气体污染物除去，以达到气体过滤的效果。例如口罩中的静电吸附层，就是利用驻极原理，通过电荷的静电作用捕集尘粒，从而对携带病毒的飞沫及空气中的颗粒物起到过滤作用。然而，现有技术中，驻极过滤材料多采用聚丙烯熔喷无纺布为基材，虽然静电吸附过滤效果较佳，但其由于耐热性差，无法用于温度较高的苛刻环境，如高温烟气滤网等，极大限制了其用于场景。例如专利CN201010241769.4公开了一种熔喷聚丙烯驻极体过滤材料的制备方法，将原料聚丙烯熔融，与添加剂混合，制得改性聚丙烯；然后熔融纺丝得到纤网，最后通过电晕放电即得驻极体。虽然具有较高的驻极体电荷稳定性和较长的使用寿命，但其耐热性不佳。
聚酰亚胺(Polyimide)，简称PI，是一种主链上含酰亚胺环的新型特种工程塑料，具有高强度、高模量、耐高温、耐辐射、极高的电阻率和介电击穿强度等优点，由其经过纺丝制成的聚酰亚胺纤维被广泛应用在航空航天、个人防护、高温除尘等领域。但是，聚酰亚胺分子链中的碳氧双键易与水分子形成氢键，进而形成导电膜，加速静电荷的衰减，因此单独以聚酰亚胺支撑静电过滤材料，其静电过滤寿命有限。而且由于聚酰亚胺本身介电常数比聚丙烯高，因此较少采用其作为驻极过滤基材。例如专利CN2021110644490公开了一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜及其制备方法，通过将聚酰胺酸前驱体溶液中加入氯化锂，混合均匀得到待纺丝液；然后纺丝成膜，得到具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜；将所得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜去除溶剂后进行酰亚胺化处理，制得聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。具有过滤效率高及耐高温性，但仅依赖纤维网孔隙结构实现高过滤性能，需要以高风阻为代价。有鉴于此，有必要设计一种改进的耐高温高过滤复合纤维膜及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耐高温高过滤复合纤维膜及其制备方法，通过两种耐高温纤维的复合，实现摩擦自充电，同时在聚酰亚胺中添加少量电气石粉，提高静电过滤性能，从而得到过滤效率高、使用寿命长且风阻低的耐高温过滤复合纤维膜。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.分别配制聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液，且所述聚酰胺酸纺丝液中添加有电气石；
S2.将所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液同步或交替离心纺丝沉积，得到复合纤维膜；
S3.将所述复合纤维膜进行酰亚胺化处理，得到耐高温高过滤复合纤维膜。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述聚酰胺酸纺丝液中还添加有抗菌剂。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液的固含量为20wt％～30wt％；所述电气石的添加量为聚酰胺酸的2wt％～15wt％。
作为本发明的进一步改进，所述电气石为纳米电气石粉，直径为200～500nm。
作为本发明的进一步改进，所述聚丙烯腈为氟代聚丙烯腈。
作为本发明的进一步改进，所述抗菌剂为银离子类抗菌剂、锌离子类抗菌剂或季铵盐抗菌剂，所述抗菌剂的添加量为聚酰胺酸的2wt％～15wt％。
作为本发明的进一步改进，所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述离心纺丝采用具有2-4个纺丝液容纳腔的喷丝器和平面收集装置，且所述平面收集装置置于所述喷丝器下方。
作为本发明的进一步改进，在步骤S3中，所述酰亚胺化包括：将所述复合纤维膜在氮气氛围下从常温持续升温至250～380℃，处理时长为0.2～1.5h。
一种耐高温高过滤复合纤维膜，采用以上任一项所述的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：
1.本发明提供的耐高温高过滤复合纤维膜，将添加有电气石粉的聚酰胺酸和聚丙烯腈同步或交替纺丝，使得在纺丝过程中，喷出的聚酰胺酸和聚丙烯腈纤维接触摩擦产生静电，提高静电过滤性能。与此同时，将电气石添加至聚酰胺酸中，相容性更优，一方面，利用电气石的自发电极性，提高后续电荷储存性能；另一方面，利用电气石的高介电常数，提高聚酰亚胺纤维与聚丙烯腈纤维之间的介电常数差，以提高摩擦起电性能。最终，得到具有高静电过滤性能。低过滤阻力的复合纤维膜，而且静电过滤性能的使用寿命长，便于大规模应用。
2.本发明在氮气流氛围下对聚酰胺酸进行高温环化，以带走环化水分，促进环化反应的发生。而且氮气流的绝缘性，能够促进纤维之间的摩擦，从而提高摩擦起电效果。
附图说明
图1为本发明使用的一种离心纺喷丝器的结构示意图。
附图标记
1-喷丝器外壁；11-纺丝液容纳腔；12-搅拌桨；13-喷丝孔；111-隔板；2-搅拌轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供的一种耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.分别配制聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液，且所述聚酰胺酸纺丝液中添加有电气石；通过在聚酰胺酸纺丝液中添加电气石，一方面，利用电气石的自发电极性，提高后续电荷储存性能；另一方面，利用电气石的高介电常数，提高聚酰亚胺纤维与聚丙烯腈纤维之间的介电常数差，以提高摩擦起电性能。
S2.将所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液同步或交替离心纺丝沉积，得到复合纤维膜；所述离心纺丝的转速为2000～5000rpm，离心纺丝的温度为20～40℃、环境湿度为30～50％；
其中，同步纺丝可采用如图1所示的喷丝器进行纺丝，该喷丝器包括喷丝器外壁1和贯穿设置于外壁上的喷丝孔13，通过隔板111将纺丝液容纳腔分离成若干个喷丝腔11，每个喷丝腔11中可设置搅拌器，以提高纺丝液分散效果。纺丝时，可分别将聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液置于不同的喷丝腔11中，并在其下方放置平面收集装置，通过喷丝器外壁1的高速旋转，使得聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液同步离心喷出，并收集于收集装置上。在此过程中，同步喷出的聚酰胺酸和聚丙烯腈纤维接触摩擦产生静电，提高静电过滤性能。
交替纺丝，也可采用上述喷丝器，可以先注入聚酰胺酸纺丝液或聚丙烯腈纺丝液中的一种，纺丝后再注入另一种，如此交替纺丝，后收集的纤维在收集至在前纺出的纤维网表面时，也会产生摩擦起电作用，从而得到静电过滤纤维膜。
S3.将所述复合纤维膜进行酰亚胺化处理，得到耐高温高过滤复合纤维膜。
耐高温高过滤复合纤维膜的纤维直径为0.4～5μm。优选聚酰亚胺纤维直径在0.4～1μm，聚丙烯腈纤维直径在1～5μm。
所述离心纺丝的喷丝孔径为0.20～0.41mm，收集距离为2～3cm，收集方法为平面式收集法。
如此操作，耐高温高过滤复合纤维膜原始制备过程为其初始静电荷存储提供条件，进一步的在使用过程中，空气流反复经过纤维膜，与纤维之间产生摩擦，并促使纤维与纤维之间摩擦产生静电，从而不断维持静电过滤性能。与此同时，电气石在纤维形成的静电场作用下，产生自发极化效应，进一步提高电荷稳定性。
在步骤S1中，所述聚酰胺酸纺丝液中还添加有抗菌剂。所述抗菌剂为银离子类抗菌剂、锌离子类抗菌剂或季铵盐抗菌剂，所述抗菌剂的添加量为聚酰胺酸的2wt％～15wt％。以赋予纤维膜抗菌性能。
在步骤S1中，所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液的固含量为20wt％～30wt％；所述电气石的添加量为聚酰胺酸的2wt％～15wt％。
所述电气石为纳米电气石粉，直径为200～500nm。
所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
优选地，聚丙烯腈为氟代聚丙烯腈，以降低聚丙烯腈的介电常数，从而提高摩擦起电性能。
在步骤S3中，所述酰亚胺化包括：将所述复合纤维膜在氮气氛围下从常温持续升温至250～380℃，处理时长为0.2～1.5h。优选采用氮气气流不断吹扫复合纤维膜，以带走环化水分，促进环化反应的发生。而且氮气气流的绝缘性，有助于提高摩擦起电效果。
一种耐高温高过滤复合纤维膜，采用以上任一项所述的制备方法制备得到。
实施例1
一种耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
S1.纺丝液的制备：将电气石粉、抗菌剂加入聚酰胺酸溶液中，混合均匀得到聚酰胺酸纺丝液(其中，电气石粉、抗菌剂和聚酰胺酸的含量分别为5wt％、3wt％、20wt％)，将聚丙烯腈添加到N,N-二甲基甲酰胺中，混合均匀得到22wt％的聚丙烯腈纺丝液；
S2.聚酰胺酸/聚丙烯腈复合纤维膜的制备：将步骤S1制备的聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液倒入至少含有两个容纳腔的喷丝器内进行同步离心纺丝，得到复合纤维膜，其中，纤维平均直径为0.4～5μm；
S3.聚酰胺酸/聚丙烯腈复合纤维膜的酰亚胺化：将步骤S2得到的复合纤维膜在氮气流下从常温持续升温至300℃，处理1h，进行酰亚胺化处理，最终得到厚度为200μm的耐高温抗菌抗病毒高过滤复合纤维膜。
实施例2-5
一种耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，纤维平均直径和复合纤维膜的厚度如表1所示，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
表1实施例1-5的测试结果
Figure BDA0003610305700000061
从表1可以看出，本发明无需通过驻极处理，就能达到99.5％的过滤效率，且过滤阻力低于80Pa，放置6个月后，过滤效率仍能达到99.1％，说明静电过滤使用寿命长，能够通过自身摩擦起电实现长久高效的过滤性能，对于高温环境的过滤具有重要意义。当纤维膜的厚度相同时，纤维直径越小，过滤效率越高；当纤维直径相同时，纤维膜的厚度越大，过滤效率也越高，且不同厚度的纤维膜的过滤阻力都较低。
对比例1
一种耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，未添加电气石粉，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
对比例2
一种耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，电气石粉添加于聚丙烯腈纺丝液中，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
对比例3
一种耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，不包含聚丙烯腈纤维，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
表2对比例1-3的测试结果
Figure BDA0003610305700000071
从表2可以看出，在未添加电气石粉时，过滤效果会降低，且6个月后的过滤效率下降较大；当电气石粉添加于聚丙烯腈纺丝液中时，过滤效果也有所降低，说明电气石粉与聚酰胺酸的复合效果更优，这可能与电气石粉和聚酰胺酸的高相容性以及静电性能有关。当不包含聚丙烯腈纤维时，过滤效果明显降低，说明本发明通过两种耐高温纤维的同步纺丝，利用纤维之间的摩擦起电作用，即可实现高效持久的过滤性能。由此可见，本发明通过特定的复合结构，得到了高效持久的耐高温过滤材料，可用于高温烟气等环境的过滤。
综上所述，本发明提供的耐高温高过滤复合纤维膜，将添加有电气石粉的聚酰胺酸和聚丙烯腈同步或交替纺丝，使得在纺丝过程中，喷出的聚酰胺酸和聚丙烯腈纤维接触摩擦产生静电，提高静电过滤性能。与此同时，将电气石添加至聚酰胺酸中，相容性更优，一方面，利用电气石的自发电极性，提高后续电荷储存性能；另一方面，利用电气石的高介电常数，提高聚酰亚胺纤维与聚丙烯腈纤维之间的介电常数差，以提高摩擦起电性能。最终，得到具有高静电过滤性能。低过滤阻力的复合纤维膜，而且静电过滤性能的使用寿命长，便于大规模应用。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.分别配制聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液，且所述聚酰胺酸纺丝液中添加有电气石；
S2.将所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液同步或交替离心纺丝沉积，得到复合纤维膜；
S3.将所述复合纤维膜进行酰亚胺化处理，得到耐高温高过滤复合纤维膜；所述酰亚胺化处理包括：将所述复合纤维膜在氮气氛围下从常温持续升温至250～380℃，处理时长为0.2～1.5h。
2.根据权利要求1所述的耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述聚酰胺酸纺丝液中还添加有抗菌剂。
3.根据权利要求1所述的耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液的固含量为20wt％～30wt％；所述电气石的添加量为聚酰胺酸的2wt％～15wt％；所述聚酰胺酸纺丝液和聚丙烯腈纺丝液的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
4.根据权利要求3所述的耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，其特征在于，所述电气石为纳米电气石粉，直径为200～500nm。
5.根据权利要求4所述的耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈为氟代聚丙烯腈。
6.根据权利要求2所述的耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，其特征在于，所述抗菌剂为银离子类抗菌剂、锌离子类抗菌剂或季铵盐抗菌剂，所述抗菌剂的添加量为聚酰胺酸的2wt％～15wt％。
7.根据权利要求1所述的耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，其特征在于，所述耐高温高过滤复合纤维膜的厚度为100～500μm，纤维直径为0.4～5μm。
8.根据权利要求1所述的耐高温高过滤复合纤维膜的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述离心纺丝采用具有2-4个纺丝液容纳腔的喷丝器和平面收集装置，且所述平面收集装置置于所述喷丝器下方。
9.一种耐高温高过滤复合纤维膜，其特征在于，采用权利要求1至8中任一项所述的制备方法制备得到。
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